차동증폭(Differential Amplification) 개념 및 특성

1. 동작 개념

차동증폭은 두 입력 신호(Vp, Vn)의 차이를 증폭하는 기술로, 다음과 같은 기본 원리로 동작합니다:

● 기본 수식: Vdiff = Vp - Vn

 

● 입력 신호 변환:
단일 신호(Single-ended) 입력 시: Vp = VCM + Vs, Vn = VCM - Vs (VCM: 공통 모드 전압)
결과적으로: Vdiff = (VCM + Vs) - (VCM - Vs) = 2Vs

● 신호 처리 경로:
단일 신호 → 차동증폭기(VCM 추가하여 차동 신호 생성) → RF 트랜스포머(ADT1-1WT) → ADC 칩
공통 모드 전압(VCM): 0.4~0.6V 범위를 유지해야 정상적인 차동 신호 처리가 가능합니다.

 

2. 특징

● 신호 증폭
2배 증폭: 입력 신호(Vs)는 차동 처리 과정에서 2배로 증폭됩니다(Vdiff = 2Vs).

● 측정 범위: KAD5512P-50Q72EP ADC 칩의 경우 차동 입력 범위가 ±0.9V이므로, 실제 단일 신호 입력 가능 범위는 ±0.45V입니다.

● 노이즈 제거
공통 모드 노이즈 제거: 두 입력 라인(Vp, Vn)에 동일하게 유입되는 노이즈는 차동 계산 과정에서 상쇄됩니다.

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Vdiff = (Vs + Noise) - (-Vs + Noise) = 2Vs
CMRR(Common Mode Rejection Ratio): 차동증폭기의 공통 모드 노이즈 제거 능력을 나타내는 지표입니다.

● 전압 레벨과 위상
오프셋 중요성: 위상 변화를 정확히 감지하기 위해서는 입력 신호의 오프셋 레벨이 0인 것이 중요합니다.

● 아크탄젠트 계산: 위상을 0~360도 범위로 표현하기 위해서는 입력 신호(Q/I)가 음수와 양수를 모두 포함해야 합니다.

 

3. 차동증폭을 사용하는 이유

 

● 신호 증폭
 - 향상된 SNR: 신호를 2배 증폭함으로써 신호 대 잡음비(SNR)가 향상됩니다.

● 넓은 동적 범위: 단일 입력에 비해 더 넓은 동적 범위를 제공합니다(±Vref vs 0~Vref).

● 위상 측정 정확도
 - 정확한 기준점: ADC 데이터에서 0V에 매칭되는 값을 정확히 알 수 있어 위상 변화를 정밀하게 측정할 수 있습니다.
 - 노이즈에 강한 측정: 공통 모드 노이즈가 제거되므로 신호의 위상 정보가, 노이즈에 의해 왜곡되지 않습니다.

● 신호 무결성
 - 임피던스 매칭: RF 트랜스포머(ADT1-1WT)를 통해 신호 경로의 임피던스를 맞춰 반사와 손실을 최소화합니다.
 - 갈바닉 절연: 회로 간 전기적 절연을 제공하여 접지 루프 노이즈를 방지합니다.

 

4. 실제 구현 고려사항

 

● 회로 구성
 - 차동증폭기 선택: 높은 CMRR을 가진 차동증폭기(예: INA128/INA129)를 사용합니다.
 - RF 트랜스포머: 신호의 품질을 유지하고 임피던스 매칭을 위해 ADT1-1WT와 같은 RF 트랜스포머를 사용합니다.

● ADC 설정
 - 출력 형식: Two's Complement 또는 Offset Binary 형식으로 설정 가능합니다.
 - SPI 보정: 게인 및 오프셋을 미세 조정하여 더 정확한 측정이 가능합니다.

● 신호 조건 설정
 - 필터링: 80MHz 필터와 같은 저역통과 필터를 사용하여 고주파 노이즈를 제거합니다.
 - 대칭적 레이아웃: 차동 라인의 길이와 임피던스를 일치시켜 노이즈가 동일하게 유입되도록 합니다.

 

결론

차동증폭은 단순히 신호를 증폭하는 것뿐만 아니라, 공통 모드 노이즈를 효과적으로 제거하고 위상 정보를 정확히 측정할 수 있게 해주는 중요한 기술입니다. 특히 위상 변화가 중요한 RF 신호 처리, 센서 데이터 수집, 오디오 신호 처리 등의 분야에서 필수적으로 사용됩니다. 신호의 무결성을 유지하고 노이즈를 최소화하기 위해서는 적절한 차동 신호 처리가 반드시 필요합니다.